低噪音微表處路用性能影響因素分析

謝 萍

(上海市松江區(qū)公路(市政)管理署，上海 201620)

微表處是一種道路工程薄層罩面技術(shù)，采用專用機(jī)械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、粗細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計(jì)配比拌和成稀漿混合料攤鋪到原路面上，并很快開(kāi)放交通的具有高抗滑性能和耐久性能的薄層。它是當(dāng)前性價(jià)比較高的一種道路預(yù)養(yǎng)護(hù)措施。但長(zhǎng)期以來(lái)，車輛行走在微表處路面上會(huì)帶來(lái)高于一般道面的噪音，這一點(diǎn)困擾著微表處的研究者和使用者。經(jīng)過(guò)了級(jí)配和組成重構(gòu)的低噪音微表處的誕生給這一養(yǎng)護(hù)措施帶來(lái)了新的面貌，然而對(duì)于低噪音微表處的路用性能的研究尚不成熟和完善。本文將針對(duì)全新的低噪音微表處進(jìn)行路用性能的影響因素研究分析，以期為施工中配合比組成設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 試驗(yàn)材料與組成設(shè)計(jì)

1.1 材料

(1)改性乳化瀝青。為使研究對(duì)象具有代表性，選用上海龍孚道路養(yǎng)護(hù)工程有限公司生產(chǎn)的成品改性乳化瀝青，采用最新研發(fā)的廣域型EM530慢裂快凝型乳化劑，它對(duì)集料類型和處理程度有較高的容忍度。由EM530乳化的改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 微表處用改性乳化瀝青

為了探究不同種類的聚合物改性乳化瀝青微表處路用性能之間的差異，將改性乳化瀝青與某國(guó)產(chǎn)成品SBR膠乳改性乳化瀝青(簡(jiǎn)稱SBR-1)和某進(jìn)口SBR膠乳改性乳化瀝青(簡(jiǎn)稱SBR-2)進(jìn)行了路用性能對(duì)比，試驗(yàn)選用的成品改性乳化瀝青均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)乳化瀝青的技術(shù)要求，且已在多個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目中得到使用和后期檢測(cè)。

(2)集料和礦粉。試驗(yàn)用集料來(lái)自江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)玄武巖，根據(jù)低噪音級(jí)配設(shè)計(jì)，將其篩分成0～3、3～5和5～8三檔備用，其中礦粉不參與低噪音微表處級(jí)配設(shè)計(jì)，而是作為外添加物使用，集料的篩分結(jié)果如表2所示。

表2 集料分檔篩分結(jié)果

(3)水泥。本文的微表處路用性能試驗(yàn)部分將礦粉和水泥作為添加物使用，水泥使用425普通硅酸鹽水泥。

(4)橡膠屑。本研究用的微表處混合料低噪音的效果主要來(lái)自兩方面，特殊的級(jí)配設(shè)計(jì)和橡膠屑。因此適當(dāng)?shù)南鹉z的加入是降低噪音的關(guān)鍵要素之一，橡膠屑應(yīng)為通過(guò)常溫磨碎或粒化方法制成的橡膠顆粒碎屑，研究所用橡膠屑技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)值如表3所示。

表3 橡膠屑物理特性技術(shù)要求

1.2 dB60級(jí)配設(shè)計(jì)

集料級(jí)配對(duì)微表處路用性能有著重要的影響，也是影響行車噪音的另一個(gè)關(guān)鍵。適當(dāng)降低粗集料的使用，加入優(yōu)質(zhì)種類的中粒徑集料(3～5 mm)、加強(qiáng)集料間嵌擠效應(yīng)、降低鋪設(shè)厚度與集料最大粒徑之差、采用間斷級(jí)配以增加粗集料的比例，是dB60級(jí)配的設(shè)計(jì)原則。但是，從級(jí)配角度降低噪音的處理對(duì)路用性能存在影響，油石比隨著粗集料的增加而減少，這將導(dǎo)致耐久性的降低。增加油石比有助于提高微表處的耐久度，但會(huì)造成對(duì)微表處表觀結(jié)構(gòu)造成泛油、粘輪等不利影響。表4為dB60專用低噪音微表處級(jí)配。

表4 dB60低噪音級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)微表處的指標(biāo)要求，按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中指定試驗(yàn)進(jìn)行。分為施工性能試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn)，其中施工性能試驗(yàn)主要包括拌和試驗(yàn)、破乳時(shí)間試驗(yàn)、黏聚力試驗(yàn)；路用性能試驗(yàn)包括濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷輪粘砂試驗(yàn)，如表5所示。

表5 微表處主要試驗(yàn)方法

2 影響因素的試驗(yàn)分析

依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，1 h濕輪磨耗試驗(yàn)主要用來(lái)確定混合料瀝青用量的最小值，以及評(píng)價(jià)微表處混合料的耐磨性能。而6 d濕輪磨耗試驗(yàn)則反映了微表處混合料抵抗水損壞能力的優(yōu)劣。本節(jié)分析了dB60級(jí)配的低噪音微表處1 h濕輪磨耗值及6 d濕輪磨耗值，研究油石比、摻水量、添加無(wú)對(duì)微表處抗磨耗性能和水穩(wěn)定性能的分析。

2.1 油石比

依據(jù)表3所示低噪音專屬級(jí)配(以下簡(jiǎn)稱dB60)的微表處混合料，改變?nèi)榛癁r青用量，進(jìn)行1 h和6 d濕輪磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 低噪音微表處濕輪磨耗值隨油石比變化趨勢(shì)

由圖1可以看出微表處混合料的1 h濕輪磨耗值及6 d濕輪磨耗值均隨著油石比的增大而減小，最后趨于平緩。這種規(guī)律在6 d磨耗值試驗(yàn)結(jié)果中更為明顯，此時(shí)集料和瀝青之間的裹覆性減弱，在水作用下更容易出現(xiàn)剝落情況。油石比的增加使瀝青和集料間的裹覆更加完全，瀝青膜面積和厚度增加，并且在乳化瀝青用量過(guò)低時(shí)，抗水損壞性能對(duì)油石比的變化更為敏感，隨著油石比增大，抗水損壞性能增加趨勢(shì)逐漸減小。

2.2 摻水量

選取dB60級(jí)配，采用上一節(jié)確定的最佳油石比(11.5 %)，以0.5 %的間隔變化摻水量，研究摻水量對(duì)微表處抗磨耗性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 低噪音微表處濕輪磨耗值隨摻水量變化曲線

由圖2可以看出，低噪音微表處的抗磨耗性在一定范圍內(nèi)隨著摻水量的增加而提升，最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)摻水量<2.5 %時(shí)，6 d濕輪磨耗值隨著摻水量的增大而下降，抗水損壞性能增加；當(dāng)摻水量>2.5 %時(shí)，6 d濕輪磨耗值反而有所增大，其中原因在于水量過(guò)多會(huì)使拌和時(shí)細(xì)集料上浮，造成混合料分層?；旌狭仙舷聦佑褪炔煌?，水作用下上層易發(fā)生剝落、塊裂現(xiàn)象，微表處的拌和水量應(yīng)有根據(jù)集料特性、級(jí)配參數(shù)、養(yǎng)護(hù)指標(biāo)、施工條件、氣候環(huán)境等多方面因素制定合理范圍。增加摻水量能在一定范圍內(nèi)提升低噪音微表處的水穩(wěn)定性。

2.3 水泥和礦粉

選用dB60微表處級(jí)配，采用上一節(jié)確定的最佳油石比(11.5 %)，摻水量(2.0 %)以0.5 %和1.0 %質(zhì)量比的間隔分別摻入礦粉和水泥，進(jìn)行1 h和6 d濕輪磨耗試驗(yàn)，研究不同添加物對(duì)微表處抗磨耗性和水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 濕輪磨耗值隨水泥用量的變化曲線

圖4 濕輪磨耗值隨礦粉用量的變化曲線

從圖3可知，添加水泥可以提升微表處的抗磨耗性和水穩(wěn)定性，摻入0.5 %的水泥后，1 h磨耗值下降了35 %，6 d磨耗值下降了17 %。當(dāng)水泥用量小于1.0 %時(shí)，增加水泥用量，微表處的耐磨性和水穩(wěn)定性提升明顯；當(dāng)水泥的用量大于1.0 %后，再增加水泥的用量，混合料的耐磨性沒(méi)有明顯變化，水穩(wěn)定性有所下降。源自破乳是一個(gè)排水的過(guò)程，無(wú)法排除的水分會(huì)呈游離狀態(tài)進(jìn)入混合料間隙，早期強(qiáng)度形成減緩，而水泥加入后可以有效消耗多余水分，從而提升早期強(qiáng)度和耐磨耗性。另一方面，水化產(chǎn)物作為填料進(jìn)入微表處混合料的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使瀝青-集料間的粘結(jié)力增強(qiáng)，提升了微表處的整體強(qiáng)度，水穩(wěn)定性上升。但是，當(dāng)水泥摻量過(guò)高，例如達(dá)到1.5 %，6 d磨耗值不減反升，顯示加入水泥有一個(gè)合適的范圍?？紤]經(jīng)濟(jì)和拌和效果，建議低噪音微表處的水泥用量不超過(guò)1.5 %。

從圖4可知，添加礦粉后的1 h磨耗值和6 d磨耗值均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)V粉摻量小于2 %時(shí)，抗磨耗性和水穩(wěn)定性提升明顯；礦粉摻量超過(guò)2 %，提升幅度略有下降，顯示適量礦粉是改善微表處混合料路用性能的有效手段。但是礦粉摻量增高在增加原材料成本的同時(shí)會(huì)改變集料的級(jí)配，因此作為添加劑時(shí)，建議礦粉的摻量控制在2 %以內(nèi)。綜合來(lái)看，相比礦粉，適量水泥對(duì)改善微表處混合料耐磨性和水穩(wěn)定性的作用更明顯，且經(jīng)濟(jì)效益更高，其中0.5 %水泥摻量下6 d磨耗值達(dá)到504 g/m2，而相同水平下礦粉摻量需要達(dá)到3 %(501.91 g/m2)。但是礦粉相比水泥對(duì)提升微表處耐磨性和水穩(wěn)定性的效果更穩(wěn)定，具體選取哪一種需要結(jié)合實(shí)際用到集料情況，在大量試拌、試鋪的前提下完成。

2.4 橡膠屑

橡膠屑具有吸收和弱化噪聲的作用，它的加入可使得微表處混合料在攤鋪完成后進(jìn)一步降低噪聲，并且適當(dāng)可增加微表處的彈性模量。依舊選用dB60微表處級(jí)配，采用上一節(jié)確定的最佳油石比(11.5 %)，摻水量(2.0 %)以0.5 %和1.0 %質(zhì)量比的間隔分別摻入橡膠屑，進(jìn)行1 h和6 d濕輪磨耗試驗(yàn)，研究不同摻量的橡膠屑對(duì)微表處抗磨耗性和水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 濕輪磨耗值隨橡膠屑摻量的變化曲線

從圖5可知，添加橡膠屑也可以提升微表處的抗磨耗性和水穩(wěn)定性，2.5 %的橡膠屑是一個(gè)臨界值，大于它之后1 h和6 d的濕輪磨耗值均趨于平穩(wěn)，更多的橡膠屑并不能帶來(lái)更優(yōu)的路用性能。推薦2.5 %為橡膠屑的標(biāo)準(zhǔn)添加量。

3 結(jié)論

針對(duì)油石比、摻水量、水泥、礦粉和橡膠屑等因素，研究了他們對(duì)低噪音微表處混合料抗磨耗性能和抗水損性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)低噪音微表處混合料的1 h濕輪磨耗值及6 d濕輪磨耗值均隨著改性乳化瀝青用量的增大而減小后趨于平緩，油石比增加可適當(dāng)改善微表處的抗磨耗性能和水穩(wěn)定性。

(2)微表處混合料抗磨耗性在一定范圍內(nèi)隨著摻水量的增加而提升，摻水量在2.5 %以下時(shí)，耐磨性和水穩(wěn)定性隨摻水量增加而提升；當(dāng)摻水量超過(guò)2.5 %后，抗磨耗性能和抗水損性能提升效果減緩甚至衰退。

(3)水泥可以提升微表處混合料抗磨耗性和水穩(wěn)定性，水泥用量<1.0 %時(shí)，增加水泥用量，微表處的耐磨性和水穩(wěn)定性提升明顯；當(dāng)水泥的用量>1.0 %后，混合料的耐磨性沒(méi)有明顯變化，水穩(wěn)定性有所下降。

(4)礦粉可改善微表處的路用性能，當(dāng)其摻量小于2 %時(shí)，抗磨耗性和水穩(wěn)定性提升明顯；超過(guò)2 %時(shí)，提升幅度略有下降，鑒于礦粉會(huì)改變級(jí)配，建議礦粉摻量控制在2 %以內(nèi)。

(5)大于2.5 %之后1 h和6 d的濕輪磨耗值均趨于平穩(wěn)，推薦2.5 %為橡膠屑的標(biāo)準(zhǔn)添加量。